曹 帥，曾清平

（空軍雷達(dá)學(xué)院，武漢430019）

0 引 言

信息時代微電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，使得電子設(shè)備集成度越來越高，同時面臨來自電磁攻擊的威脅也越來越大。近年來，雷達(dá)部隊(duì)裝備正值更新?lián)Q代，對于新裝備抗強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的問題，既要做好來自前門主要是天線的電磁脈沖威脅，更要關(guān)注來自于后門尤其是拖線、門窗孔縫洞以及連接處的電磁威脅和防護(hù)。

1 電磁脈沖產(chǎn)生的機(jī)理

目前電磁脈沖的產(chǎn)生有自然發(fā)生和人為產(chǎn)生2種：一是自然發(fā)生的，主要是雷電電磁脈沖，稱之為浪涌；二是人為產(chǎn)生，主要有核爆炸電磁脈沖、高功率微波和超寬帶短脈沖。

1.1 雷電電磁脈沖（LEMP）

雷電是自然大氣中的超強(qiáng)、超長放電及伴隨發(fā)生的發(fā)光和發(fā)聲現(xiàn)象，是自然電磁干擾源最強(qiáng)的放電現(xiàn)象。雷電對于電子設(shè)備的損壞效應(yīng)包括雷電的直擊效應(yīng)和雷電流引起的次級效應(yīng)，即雷電電磁脈沖。雷電電磁脈沖的產(chǎn)生是一個雷雨云的生成、起電和放電過程的伴隨產(chǎn)物，但更需關(guān)注的是雷電的放電過程，雷雨云的放電表現(xiàn)出來的閃電可以分為云閃和地閃。當(dāng)局部大氣電場達(dá)到104V／cm時，云中帶電霧滴間因空氣介質(zhì)擊穿而放電并發(fā)出光，此為云閃；而地閃是大氣與地面間的放電現(xiàn)象，其過程可以概括為預(yù)擊穿、梯級先導(dǎo)、連接、回?fù)?、箭式先?dǎo)、后續(xù)回?fù)舻?。一次閃電含有上萬個脈沖放電過程，它們向周圍空間輻射高頻和甚高頻能量，從而產(chǎn)生雷電電磁脈沖。LEMP主要成分分布在低頻段，隨頻率升高而遞減，0～5kHz的諧波電流幅值較大；大于7.5kHz的幅值下降，頻率越高，幅值越低。波頭越陡，高次諧波越豐富；波尾越長，低頻分量越豐富［1］。

1.2 核爆炸電磁脈沖（NEMP）

核爆炸有地面（下）核爆炸、中低空核爆炸和高空核爆炸。任何形式的核爆炸都會產(chǎn)生電磁脈沖，只是形式有所不同。100km以上的高空核爆炸脈沖強(qiáng)度更大，高頻成分更多，覆蓋區(qū)域更廣，故造成的傷害更大。核爆炸釋放出極強(qiáng)的γ射線，它與大氣等物質(zhì)發(fā)生作用，出現(xiàn)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。占主要作用的康普頓效應(yīng)產(chǎn)生徑向往外運(yùn)動的高速康普頓電子流，從而使爆點(diǎn)附近缺少電子，遠(yuǎn)處電子又過剩，形成了一個徑向電場。由于該電場的作用，出現(xiàn)與康普頓電流相抗衡的回電流，即歐姆電流，最后達(dá)到一定的穩(wěn)定值。由于大氣密度隨高度的變化，及其他非對稱性因素，使得康普頓電流和歐姆電流不是球?qū)ΨQ，它們在隨時間變化的過程中激勵出向外輻射的高能電磁脈沖，即高空核爆炸脈沖（HEMP）。

NEMP能量強(qiáng)度大，百萬噸級別高空核爆以電磁脈沖形式釋放的能量達(dá)到1011J量級；峰值場強(qiáng)極高，電場強(qiáng)度可達(dá)（104～105）V／m，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)10mT；上升時間短，核電磁脈沖上升至峰值的時間為1～5ns，上升時間的典型數(shù)據(jù)為10－8s；頻譜寬，覆蓋了從超長波直至微波低端，大約在0～200MHz的整個頻段，從而對無線電通信、導(dǎo)航和廣播等系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅；覆蓋半徑大，幾乎可以說，高空爆炸時，地球上凡能看到爆點(diǎn)的地方皆能受到電磁脈沖的影響等特點(diǎn)。同時NEMP擁有系統(tǒng)電磁脈沖（SGEMP）與內(nèi)電磁脈沖（IEMP）效應(yīng)，因此核電磁脈沖能夠進(jìn)入到屏蔽罩里面去，從而對腔體內(nèi)的電子系統(tǒng)也造成干擾和損傷。這是核電磁脈沖獨(dú)具的特性，其他已知的電磁脈沖都不能進(jìn)到屏蔽罩里去。

1.3 高功率微波（HPM）和超寬帶（UWB）短脈沖

HPM主要有2種不同的發(fā)生原理：一是由電能通過二極管轉(zhuǎn)換成電子束，電子束通過束－波相互作用器件轉(zhuǎn)換成微波，微波由天線發(fā)射出去；二是由電能在天線上直接轉(zhuǎn)換成微波，再發(fā)射出去［2］；而UWB作為電磁脈沖武器使用，不需要利用二極管去產(chǎn)生電子束和經(jīng)波導(dǎo)一類電磁結(jié)構(gòu)去產(chǎn)生微波，而是利用超快電路直接激勵的方法去產(chǎn)生納秒級超短脈沖，從而獲得超寬帶電磁輻射輸出抑或是通過某些器件的規(guī)則設(shè)計(jì)將炸彈爆炸的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電磁能，以該電磁能激勵彈內(nèi)的微波源，從而發(fā)射出相應(yīng)波段的電磁波。

兩者作為電磁脈沖武器形式并沒有嚴(yán)格的界限，最大峰值功率也達(dá)到了GW量級；頻譜更寬，覆蓋了從100MHz～50GHz的頻段；雖然脈沖發(fā)射能量比之LEMP和NEMP相對低，但是高頻成分則更豐富，發(fā)射手段也靈活，發(fā)射效率高，功耗小。

2 電磁脈沖對雷達(dá)后門的危害

所謂雷達(dá)的“后門”就是雷達(dá)方艙門、窗、散熱孔間的縫隙、拖線通道和密封用的金屬導(dǎo)管以及通信接口等。由于雷達(dá)后門物理構(gòu)造的特殊性，各個器件是互相獨(dú)立且屏蔽的，故雷達(dá)后門電磁脈沖防護(hù)顯得更為復(fù)雜。電磁脈沖對雷達(dá)后門的危害一方面包含對雷達(dá)系統(tǒng)器件的干擾或損傷，另一方面也包含了通過雷達(dá)后門耦合進(jìn)入的電磁脈沖能量對操作人員戰(zhàn)斗力的影響。

2.1 后門耦合的途徑和形式

電磁脈沖通過雷達(dá)后門耦合的主要途徑有：對電線、電纜及連接處的耦合和傳導(dǎo)；對縫、孔、洞的耦合及管道、框架的結(jié)構(gòu)耦合；對設(shè)備殼體及導(dǎo)電介質(zhì)的穿透。耦合形式有輻射耦合和傳導(dǎo)耦合。輻射耦合指電磁脈沖能量以電磁輻射方式對系統(tǒng)形成的耦合；傳導(dǎo)耦合則是指電磁脈沖能量以電壓或電流形式通過金屬導(dǎo)體或元件（如電容器、變壓器）對系統(tǒng)形成的耦合。實(shí)際上，電磁脈沖對電子、電力系統(tǒng)形成的耦合是一個復(fù)雜的物理過程，因此，輻射耦合和傳導(dǎo)耦合往往交織在一起，難以截然分開［3］。

2.2 對雷達(dá)系統(tǒng)的損傷機(jī)理

當(dāng)電磁脈沖的功率密度為0.01～1μW／cm2時，可強(qiáng)烈干擾相應(yīng)頻段的雷達(dá)、通信、器件、設(shè)備的正常工作；為0.01～1W／cm2時，可使雷達(dá)接收系統(tǒng)和信號處理設(shè)備中的電子元器件失效或燒毀；為10～100W／cm2時，高頻率微波輻射形成的瞬變電磁場可使金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過拖線、電纜及連接處和各種開口、管道或縫隙孔窗耦合到雷達(dá)方艙內(nèi)部，破壞各種敏感元件，如傳感器和電子元器件，使元器件產(chǎn)生狀態(tài)反轉(zhuǎn)、擊穿，出現(xiàn)誤碼、記憶信息抹掉等，強(qiáng)大的電磁輻射會使整個通信網(wǎng)絡(luò)失控，這是因?yàn)榇竺}沖功率超過敏感元器件的額定值，設(shè)備會因過載而造成永久性毀傷；為103～104W／cm2時，強(qiáng)烈的電磁場作用引起系列非線性效應(yīng)，短時間內(nèi)使目標(biāo)受高熱而破壞，甚至能夠提前引爆導(dǎo)彈中的戰(zhàn)斗部或炸藥。具體可歸結(jié)為以下幾種效果：

（1）電效應(yīng)

電磁脈沖源形成的強(qiáng)電場電壓使電子器件半導(dǎo)體（MOS）電路的柵氧化層或金屬化線間造成介質(zhì)擊穿，致使電路失效；在金屬表面形成的強(qiáng)大的感應(yīng)電流可直接燒毀雷達(dá)方倉內(nèi)部電子器件、計(jì)算機(jī)芯片和集成電路，而且會對系統(tǒng)自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響。

（2）磁效應(yīng)

電磁脈沖引起的強(qiáng)電流可以產(chǎn)生強(qiáng)磁場，使電磁能量直接耦合到系統(tǒng)內(nèi)部，從而干擾雷達(dá)、通信、敵我識別和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

（3）瞬時干擾和浪涌效應(yīng)

電磁脈沖產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓、過電流或“浪涌”效應(yīng)能使器件或電路的性能參數(shù)劣化、誤碼、邏輯混亂、功能紊亂或完全失效；也可能形成累積效應(yīng)，埋下潛在的危害，使電路或設(shè)備的可靠性降低，在以后的運(yùn)作中隨時會產(chǎn)生誤動作。

（4）熱效應(yīng)

熱效應(yīng)可以分為微波加熱和絕熱燒毀。前者是微波使金屬、含水介質(zhì)升溫，從而產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致器件的功能下降甚至燒毀；絕熱燒毀是在高頻、高功率脈沖作用下，在微秒或納秒量級時間內(nèi)完成的一種瞬時絕熱積累，可瞬時引起易燃、易爆氣體等物品燃燒爆炸，也可以使微電子器件、電磁敏感電路過熱或輸入保護(hù)電阻燒毀，造成局部熱損傷，導(dǎo)致電路性能變壞或失效。

2.3 對人員的傷害機(jī)理

這一殺傷機(jī)理分為“非熱效應(yīng)”和“熱效應(yīng)”。非熱效應(yīng)指當(dāng)電磁脈沖能量強(qiáng)度低時，使雷達(dá)的操縱人員、通信人員和指揮人員等的生理功能紊亂（如煩躁、頭痛、記憶力減退、神經(jīng)錯亂以及心臟功能衰竭等）。當(dāng)功率密度達(dá)到13mW／cm2時，各戰(zhàn)斗人員的工作狀態(tài)會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致戰(zhàn)斗效能下降。熱效應(yīng)指在高頻率電磁脈沖能量作用下，人的皮膚灼熱，眼白內(nèi)障，皮膚內(nèi)部組織嚴(yán)重?zé)齻椭滤赖?；?dāng)功率密度為0.5W／cm2，單個脈沖釋放的能量達(dá)到20J／cm2時，會造成人體皮膚輕度燒傷；當(dāng)功率密度為20W／cm2時，照射2s可造成三度燒傷；當(dāng)功率密度為80W／cm2時，僅1s就可使人喪命［4］。

3 時域有限差分（FDTD）法

時域有限差分法是求解麥克斯韋微分方程的直接時域方法［5］，其主要思想是把Maxwell方程在空間、時間上離散化，用差分方程代替一階偏微分方程，求解差分方程組，從而得出各網(wǎng)格單元的場值。FDTD空間網(wǎng)格單元上電場和磁場各分量的分布如圖1所示。由Yee單元網(wǎng)格可以看到，電場與磁場分量在空間交叉放置，相互垂直。電場分量位于每條棱邊的中心，而磁場分量位于每個面的中心，每個電場（磁場）分量都有4個磁場（電場）分量環(huán)繞?？梢哉f，Yee單元網(wǎng)格的建立是“把數(shù)學(xué)關(guān)系、物理含義和物理規(guī)律巧妙地結(jié)合在一個差分單元中［6］”，應(yīng)用這種方式可以在時間軸上逐步推進(jìn)地求解空間電磁場的分布情況。

圖1 直角坐標(biāo)系統(tǒng)下FDTD Yee單元網(wǎng)格及場關(guān)系

FDTD是分析解決瞬態(tài)響應(yīng)問題的較好方法，特別適于處理具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜環(huán)境的情形，例如薄板和細(xì)導(dǎo)線以及各類天線問題等。只要計(jì)算機(jī)具有處理足夠多FDTD單元的能力，計(jì)算的精度可達(dá)到任何要求。

3.1 FDTD的離散遞推形式

結(jié)合Maxwell方程的物理意義和Yee單元的處理方式，F(xiàn)DTD方法主要是處理2個旋度方程，即：

式中：ε為介質(zhì)介電系數(shù)，單位為F／m；μ為磁導(dǎo)系數(shù)，單位為H／m；σm為導(dǎo)磁率，單位為Ω／m；σ為電導(dǎo)率，單位為S／m。

在直角坐標(biāo)系下的Yee單元對上兩式的偏微分標(biāo)量方程進(jìn)行中心差分離散，并引入fn（i，j，k）表示E或H某一分量在空間某時刻的值，即：

最后得到FDTD的離散遞推形式［5］：

以上是x分量的時間推進(jìn)計(jì)算公式，其他分量類似。

3.2 數(shù)值色散和穩(wěn)定性條件

由于網(wǎng)格抽樣的間斷性和數(shù)值離散化的處理，使得Yee單元網(wǎng)格空間自身會產(chǎn)生非物理性的色散現(xiàn)象。為了減小數(shù)值色散，在選取空間網(wǎng)格尺度時，應(yīng)滿足δ＝λmin／N，其中δ＝ min（Δx，Δy，Δz），N≥10，λmin為時域信號波群的最小波長值。顯然，減小網(wǎng)格的尺度可以減小數(shù)值色散，但同時也會引起計(jì)算量的增大，因此要綜合考慮，權(quán)衡利弊。

3.3 吸收邊界條件

由于計(jì)算機(jī)容量的限制，F(xiàn)DTD計(jì)算只能在有限區(qū)域進(jìn)行。為了能模擬開域電磁過程，在計(jì)算區(qū)域的截?cái)噙吔缣幈仨毥o出吸收邊界條件［5］。

應(yīng)用比較廣泛的是Mur吸收邊界條件，以及后來的完全匹配層（PML）吸收邊界條件和各向異性完全匹配層（UPML）吸收邊界條件。當(dāng)然還有其他各種吸收邊界條件，如廖氏吸收邊界條件，超吸收邊界條件等，各有優(yōu)劣，在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)計(jì)算空間、時間和精度的權(quán)衡靈活選擇使用。

4 雷達(dá)后門的工程防護(hù)思路

后門防護(hù)技術(shù)的目的就是要將大功率的電磁信號屏蔽在外。從電磁防護(hù)“最不利的原則”出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注那些對地面雷達(dá)系統(tǒng)威脅最為嚴(yán)重的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境。通過對電磁脈沖能量的反射、吸收、隔離和泄放，使電磁脈沖大部分能量被抵擋在雷達(dá)系統(tǒng)之外或是將進(jìn)入系統(tǒng)的電磁脈沖能量衰減到設(shè)備能夠承受的程度是實(shí)施電磁脈沖防護(hù)的主要思路。

4.1 接口防御

接口部分是比較薄弱的環(huán)節(jié)，通信和電源接口一般必須滿足調(diào)節(jié)器所需的電氣安全指標(biāo)要求，這些接口通常利用隔離變壓器加以保護(hù)，其額定電壓從幾百伏到大約2～3kV。

很明顯，一旦由變壓器、電纜脈沖放電器或屏蔽提供的保護(hù)功能被破壞，只要幾十伏的電壓就能給計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備造成很大的破壞。

網(wǎng)絡(luò)里的電纜本身也是一個能有效傳播電磁影響的媒介，從而使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備受到損壞。對于遠(yuǎn)距離或要求高速信號傳輸?shù)目刹捎霉饫|，對于近距離低速信號采用紅外接口方式。這樣可切斷金屬導(dǎo)線的電磁效應(yīng)，保證電子設(shè)備不受電磁、浪涌等干擾的破壞。

另外，還有一種防御技術(shù)就是熱離子技術(shù)（即真空管設(shè)備），此技術(shù)比固體技術(shù)（即晶體管）在受電磁武器影響后更能恢復(fù)原有工作狀態(tài)。因此，一種能夠最佳損毀固態(tài)計(jì)算機(jī)和接收機(jī)的武器只會對應(yīng)用熱離子技術(shù)的裝置產(chǎn)生很小的損壞或毫無損毀，除非使用合適的武器，否則，便不會對這些目標(biāo)產(chǎn)生硬的電氣殺傷。

4.2 孔縫洞窗及拖線防御

不同用途、電平的線、弱電線與強(qiáng)電線等要分開，不能平行，元器件和電路的連線應(yīng)盡量短，關(guān)鍵的元件、電路和走線要加屏蔽，同時盡量減少暴露部分，減少接收電磁脈沖的能量。在系統(tǒng)出入口即拖線端口采用電涌保護(hù)器件，防止峰流或峰壓的涌入，同時注意濾波器件的安放位置在保護(hù)器件之后，對電磁脈沖進(jìn)行反射或是吸收，消除因電流電壓的突變引起的防護(hù)電路不穩(wěn)定的后果。

為了提高系統(tǒng)面臨電磁攻擊后的存活概率，采用高電導(dǎo)、磁導(dǎo)材料和專門的電磁加固，進(jìn)行多級保護(hù)和屏蔽，但要注意滿足系統(tǒng)電磁兼容性要求，屏蔽保護(hù)的設(shè)置必須是在系統(tǒng)級基礎(chǔ)上。對于孔縫洞窗的防御，電磁屏蔽存在2個難點(diǎn)：一是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性；二是不能有穿過整個防護(hù)目標(biāo)的導(dǎo)體。故一般來說對于孔縫洞窗的屏蔽防御主要注意以下兩點(diǎn)：一是增加導(dǎo)電接觸點(diǎn)，減小縫隙寬度；二是合理選擇并使用電磁密封襯墊以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃慰刂啤?/p>

4.3 電路設(shè)計(jì)及回避法

采用足夠冗余度和故障跨越的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在多個節(jié)點(diǎn)和線路受到電磁打擊造成無法正常工作的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作；采用時間鑒別或?qū)﹄娐酚|發(fā)要求的設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)、邏輯設(shè)計(jì)，達(dá)到避開電磁脈沖影響或者對于外來瞬時干擾不響應(yīng)。

回避法的指導(dǎo)思想是在有電磁脈沖干擾的瞬間，設(shè)備暫停工作，待脈沖過后設(shè)備恢復(fù)正常工作?；乇馨z測能引起干擾且任務(wù)失效的電磁場和存在瞬變故障危險時中斷信號處理。

回避的具體方法有很多種，例如利用鐵氧體磁芯在輸入電壓超過一定值時就飽和這一特性，實(shí)現(xiàn)回避。應(yīng)把磁芯設(shè)計(jì)成對所希望的信號電平是不飽和的。當(dāng)變壓器的初級線圈感應(yīng)到的電磁脈沖瞬變信號超過極限值時磁芯飽和，這就限制了次級電壓的電平。待瞬變信號消失后，電路又恢復(fù)正常工作。對于輻射干擾容易敏感的設(shè)備，如果檢測到的強(qiáng)度足以引起邏輯變化的電磁場，就通過閉鎖所有輸入端，將操作程序返回到最近一個安全點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)回避。在一個指定的時間延遲之后復(fù)原到需要的位置，并修正已過去的時間而重新開始工作。也可以用并行信號處理來實(shí)施回避。就是利用一個加固了的對快速瞬變的電磁脈沖不響應(yīng)的慢速數(shù)字處理機(jī)和一未加固的快速處理機(jī)。通常系統(tǒng)在快速處理機(jī)控制下工作，假如出現(xiàn)電磁脈沖，工作暫時轉(zhuǎn)向加固的慢速處理機(jī)。電磁脈沖消失后又轉(zhuǎn)向快速處理機(jī)。

5 結(jié)束語

筆者認(rèn)為目前我國電磁防護(hù)發(fā)展可有以下思路：一是在加緊研究電磁防護(hù)的同時積極發(fā)展電磁脈沖武器反導(dǎo)，用己方的電磁脈沖武器擊毀敵方的電磁脈沖武器平臺；二是盡快出臺兵器系統(tǒng)級電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制信息權(quán)已經(jīng)成為克敵制勝的重要手段之一［3］，集大量高度集成化微電子設(shè)備的雷達(dá)是保障戰(zhàn)場信息的核心，然而卻面臨著電磁軟、硬攻擊的嚴(yán)重威脅。加強(qiáng)電磁防護(hù)新技術(shù)理論研究和實(shí)驗(yàn)，努力提高雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效能，對于未來高強(qiáng)度信息戰(zhàn)爭主動權(quán)的把握有著重大的意義。

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